植物细胞信号转导.ppt

1、第六章 植物细胞信号传导,植物的生长发育受控于,引 言,遗传信息系统,环境信号系统,遗传信息系统：,环境信号系统：影响性状的具体表现。,核酸和蛋白质为主，决定了生长发育的潜在模式；,本部分的主要内容,图6-1 影响植物生长发育的各种环境因子,影响植物生长发育的外界信号,植物对环境信号的反应过程：,首先要感受环境信号,体内信号,对细胞代谢和基因表达产生效应,调节植物体的生长发育进程,这种环境信息的胞间传递和胞内转导过程称为细胞的信号传导（signal transduction）。,细胞信号转导在生命活动中的地位,生物体内的大分子、细胞器、细胞、组织和器官在空间上是相互隔离的，生物体与环境之间更是

2、如此。 根据信息论的基本观点，两个空间隔离的组分之间的相互影响和相互协调，都必需有信息的传输和交流。因此，生物体在进行新陈代谢时，不但有物质和能量的变化，即存在物质流和能量流，还存在信息流。“生命活动就是自然界物质流、能量流和信息流三个量综合运动的表现”。 信息流在其中起着调节、控制物质和能量代谢的作用。,第一节 信号分子及其特征,一、信息与信号,信息,信息与信号是两个密切相关而又有区别的概念。,信号,信息论认为：信息与物质、能量一样，都属于基本概念。信息是一个抽象概念，总是与“不确定性”联系在一起。信息一般要通过一定的物理量信号体现出来，甚至要转换为某种符号加以传输（如电话的声音或者电报的电

3、码等）。,信号是信息的物质体现形式及物理过程。,生物大分子的结构内存在着可以交流的信息，同时生物体内也有专门进行信息传递的信号分子。如激素、cAMP、Ca2+等,二、细胞信号分子的类型及其传递途径,按其作用范围,胞间信号分子（intercellular signal）,胞内信号分子(intracellular signal),根据信号分子性质,化学信号（chemical signal） 物理信号（physical signal）,第一信使（first signal） 如根系干旱产生ABA。,一般认为，植物激素是植物体内主要的胞间化学信号。,1. 胞间信号,胞间信号与质膜上受体结合后，经跨膜信号

4、转换，诱发产生胞内信号分子。这些胞内信号分子是细胞信号转导中的第二信使（second signal ） 。,图6-2 植物细胞内几种主要的第二信使的分子结构,2. 胞内信号,3. 化学信号,指细胞感受刺激后合成，并传递到作用部位引起生理反应的化学物质。,正化学信号（positive chemical signal）：随着刺激强度的增加，细胞合成量及向作用位点输出量也随之增加的化学信号物质 。如ABA,负化学信号（negative chemical signal） ：随着刺激强度的增加，细胞合成量及向作用位点输出量随之减少的化学信号物质 。 如CTK,如当植物根系受到水分胁迫时，根系细胞迅速合成

5、脱落酸（ABA），ABA通过木质部蒸腾流运输向地上部，引起叶片生长受阻和气孔导度的下降。而且ABA的合成和输出量随水分胁迫的加剧而显著增加。,其它化学信号分子,另外，如寡聚糖、水杨酸、茉莉酸、多胺、乙酰胆碱等。,由此认为寡聚糖是受伤叶片产生，并释放出来，经维管束转移，继而诱导PIs基因活化的信号物质。,例如，当植物的某一叶片被虫咬以后，会诱导叶片产生蛋白酶抑制物（PI）等，以阻碍病原菌或害虫进一步侵害。若在伤害后立刻去掉该叶片，其他叶片不会产生PIs，但如果将受害叶片的细胞壁水解片断（主要是寡聚糖）加到叶片中，又可模拟伤害反应诱导PIs的产生。,4. 物理信号,物理信号（physical si

6、gnal）是指细胞感受到刺激后产生的，具有传递信息功能的物理因子。如电波和水力学信号等。,娄成后认为，电波传递是质外体长距离传递信息的一种重要方式，是植物体对外部刺激的最初反应。植物为了对环境变化作出反应，既需要专一的化学信号传递，也需要快速的电波传递。,植物的电波传递有多种形式：,高敏感的植物对外界刺激无需达到伤害程度即可产生动作电位（action potentials, AP）短暂的、可再生的膜电位变化；,1.2.1 电波,中等敏感植物在伤害刺激条件下产生变异电位（variation potentials,VP）变化缓慢的、波形极不规则的电位变化；,最不敏感的植物只引起不可传递的局部电位变

7、化。,产生与传递机制,研究认为，外界刺激诱导细胞膜发生去极化，当去极化水平达到阈值时，可激活离子通道，进而引起细胞内外离子浓度的改变。,所以，植物电波的产生是质膜去极化及透性变化的结果，而且伴随有化学信号的产生（如乙酰胆碱）。,触摸对合欢叶片的影响,电波信号可以引起包括基因转录在内的深刻的生理生化反应。,电波传递的结果,水力波,例如，玉米叶片木质部压力的微小变化就能迅速影响叶片的气孔开度，木质部压力的降低几乎立即引起气孔的开放，反之亦然。,三、化学信号分子与信号转导途径的特征,1.信号分子一般分子量较小，可溶性好，而易于移动。如Ca2+、cAMP和IP3。 它们的跨膜运输需要通过特殊的通道或者

8、载体。,2.信号分子应快速产生而且快速灭活：生物为了对环境刺激尽快产生反应而且适可而止，就要求信号分子快速产生和灭活。 快速产生与灭活同样重要。通道的关闭，磷酸脂酶作用的灭活，均快速产生胞内信号； 反馈机制可能使被激活的基因表达停止。,1. 化学信号分子的特征,图519 细胞信号转导的主要分子途径,信号分子传导的途径可分为四个阶段：,1.胞间信号的传递,2.膜上信号转换,3.胞内信号转导,4.蛋白质可逆磷酸化,2. 信号分子转导途径及其特征,细胞信号转导途径具有以下特征：,1.信号传递具有级联放大作用：如一个原初的激素信号，可能通过G蛋白激活多个效应酶，并产生多种第二信使分子。通过信号传递过程

9、的级联(cascades)反应，可以在下游引起成百上千个酶蛋白活化。因此，数量有限的激素分子，可以引起生物体内十分明显的发育表型变化。当然，这种级联放大作用也是受到严格控制的。,2.信号传递途径是一个网络系统：多数信号分子都可以激活几种不同的细胞信号途径；信号途径中的一个组分也可以激活其它组分，从而形成一个网络。,3.信号传递途径的专一性：信号可以从膜受体精确地传递到特定的效应器。专一性形成的机制与信号分子的区域化和连接蛋白有关。,专一性形成的机制：区域化作用,将信号分子限定在特定的胞质区域中，形成特定的信号网络，来精确、有效地对刺激做出反应 。,区域化形成的机制：,1. 相互作用的两个分子之

10、间通过特殊结构域相互识别、相互作用 （蛋白激酶与底物之间）； 2.连接蛋白 ：信号转导通路组分之间起连接作用的蛋白质，它们没有酶活性。如接头蛋白（adaptors）、锚定蛋白（anchoring proteins）和支架蛋白（scaffold proteins）等 。,例如MAPK途径中有三个酶发生级联反应，三个酶被激酶顺序激活。支架蛋白将三个酶或者其中的两个酶固定在一起，使酶和底物相互靠近，有利于底物被激酶磷酸化。同时，这种结合也避免了其它组分的干扰，保证了信号转导的特异性。,四、胞间信号的传递,1.韧皮部是化学信号长距离传递的主要途径； 2.木质部 ； 3.气腔网络； 4.水分连续体系 ；

11、,一、 受体与信号的感受,概念：受体（receptor）是位于效应器官细胞质膜上或者亚细胞组分中的一种生物大分子，它可以识别并特异地与有生物活性的化学信号物质（配体，ligand）结合，从而激活或者启动一系列生物化学反应，最后导致该信号特定的生物效应。,一是识别自己特异的信号物质，识别的表现在于两者结合； 二是把识别和接受的信号准确无误的放大并传递到细胞内部，启动一系列胞内信号级联反应。,第二节 受体与跨膜信号转换,受体的功能：,要将胞间信号转换为胞内信号，受体的两个功能缺一不可。,细胞外部信号可以被膜上的受体或者细胞内受体接收,受体和信号物质的结合是细胞感应胞外信号，并将此信号转变为胞内信号

12、的第一步。 这种结合具有：特异性、饱和性和高度的亲和力。,根据受体在细胞中的位置：,（1）细胞表面受体 （2）细胞内受体。,三种类型：,A. G蛋白偶联受体;,B.酶联受体;,C.离子通道偶联受体,（一）细胞表面受体,有一条肽链，并形成具有7个跨膜螺旋结构；糖基化的N端在胞外，C端位于胞内。它的胞外环和跨膜区参与配基的识别与结合，第三个胞内环参与G蛋白(下游蛋白)的耦联作用（图6-5）,图6-5 植物G蛋白联接受体GCR1的结构,G蛋白联接受体（G protein-linked receptor）:,是一种具有跨膜结构的酶蛋白，其胞外域与配体结合而被激活，通过细胞内侧激酶反应，将胞外信号传至胞

13、内。 这一结构既具有受体的功能，又具有把胞外信号直接转换成胞内效应的功能，是一种“经济”有效的信号跨膜转换方式,2. 酶联受体(enzyme-linked receptor),由多亚基组成的受体/离子通道复合体，除了具有信号接受部位以外，本身又是离子通道。 其跨膜信号转导无需中间步骤，反应快，一般只需几秒钟。,3.离子通道型连接受体(ion-channel- linked receptor),（二）细胞内受体,细胞内受体是指存在于细胞质或者亚细胞组分（细胞核、液泡膜等）上的受体。,胞内受体识别和结合的配体（信号分子），是能够穿过细胞质膜的、脂溶性的信号分子，如光信号、激素、生长因子等。,如感受

14、光信号的光受体，属于细胞内受体。,由两部分构成：一是生色团，用于感受光信号；二是脱辅基蛋白，由它应答生色团感受的光信号，并将信号传给下游的信号传递体，引发基因表达或者生理生化反应。,光受体,植物体内至少存在三类光受体,它们是：,A. 对红光和远红光敏感的光敏素;,B. 对蓝光和紫外光A（320-380nm）敏感的隐花色素;,C. 对紫外光B(280-320nm)敏感的紫外光受体。,以类固醇激素及其受体为例，细胞内受体的作用机理如图6-6。,图6-6 细胞内受体作用机理示意图,细胞内受体一般有两个结构域，一个是与DNA结合的结构域；另一个是激活基因转录的结构域。另外还有两个结合位点：一个是配体（

15、激素）结合位点，另一个是与抑制蛋白结合的位点。 在激素没有与受体结合时，抑制蛋白与受体结合，阻止受体与DNA结合。当激素进入细胞并与受体结合后，形成激素-受体复合体，并使抑制蛋白从受体上解离下来。该复合体成为转录促进因子进入细胞核内，与DNA上的特异序列（顺式作用元件）结合，启动基因转录。,二、细胞表面受体的跨膜信号转换,细胞表面受体结合胞外信号分子后，只有将其转换为胞内信号，才能影响靶细胞的行为。 质膜表面受体将胞外信号转换为胞内信号有如下两种方式：,1. 产生细胞内第二信使,一是离子通道型耦联受体在配体或者电压门控下，通过离子通道开放，产生第二信使（如Ca2+）； 二是G蛋白耦联受体通过G

16、蛋白的下游效应酶产生第二信使。,2酶促信号直接跨膜转换,受体本身的胞内域具有酶的催化活性，接受信号后激活了胞内具有蛋白激酶活性的结构，进而在细胞内形成信号转导途径，调节某种生理反应。这样通过一种蛋白质完成了胞外到胞内的信号转换。,G蛋白（G protein）全称为GTP结合调节蛋白（GTP binding regulatory protein），此类蛋白由于其生理活性有赖于同三磷酸鸟苷（GTP）的结合以及具有GTP水解酶的活性而得名。,G蛋白在膜上受体接受胞外信号与膜内侧效应酶（如磷脂酶C，PLC）产生胞内信号之间，起着信号转换作用. 所以又称为耦联蛋白或信号转换蛋白。,三、 G蛋白与跨膜信号

17、转换,种类,细胞内的G蛋白分为两大类：一类是由三种亚基（、）构成的异源三聚体G蛋白，另一类是只含有一个亚基的单体小G蛋白。小G蛋白与三聚体G蛋白的亚基有许多相似之处。它们都能结合GTP或GDP，结合了GTP后呈活化状态，可以启动不同的信号转导过程。,作用机制,G蛋白信号耦联功能是靠与GTP的结合或水解所产生的变构作用来完成的。,当G蛋白与受体结合而被激活时，同时结合上GTP，继而触发效应器，把胞间信号转换为胞内信号；而当GTP水解为GDP后。G蛋白回到原初构象，失去信号转换功能。,三聚体G蛋白的活性循环,三聚体G蛋白的信号转换方式,三聚体G蛋白的信号转换方式,异源三聚体G蛋白位于膜内侧，并与质

18、膜紧密结合。当某种刺激信号与其膜上的特异受体(G蛋白偶联受体)结合后，激活的受体将信号传递给G蛋白，G蛋白的亚基与GTP结合而被活化。活化的亚基与、亚基分离而呈游离状态，活化的亚基触发效应器，把胞外信号转换为胞内信号。当亚基所具有的GTP酶将与亚基相结合的GTP水解为GDP后，亚基恢复到去活化状态并与、亚基结合为复合体。 已经发现PLC（磷酸脂酶C）是G蛋白信号系统中的效应器。,注：G蛋白的发现是生物学界的一大成就，发现者因此获诺贝尔生理学奖。,G蛋白不仅把胞外信号转换为胞内信号，而且具有信号放大作用。当信号分子与受体结合后，后者可以激活多个G蛋白分子，每个G蛋白又可以激活下游的多个效应酶（如

19、腺苷酸环化酶）。效应酶可以产生大量胞内第二信使（如cAMP）。第二信使还可以通过信号转导途径进一步传递和放大信号。,G蛋白信号放大作用：,第三节 胞内信号转导与第二信使系统,植物细胞第二信使系统,此外，还有一些化学物质，如乙烯、多胺类化合物、H+、H2O2等，也可能是细胞中的胞内信使。,钙信号系统 磷酸肌醇信号系统 环腺苷酸信号系统,一、 钙信号系统,植物细胞内的游离钙离子已被许多研究工作证实是细胞信号传导过程中的重要的第二信使。,作为第二信使的一个重要条件: 该因子能够响应胞外刺激信号的变化，进而调节细胞的生理活动。,钙在植物细胞中的分布极不平衡。细胞质中Ca2+浓度很低，细胞器的Ca2+浓

20、度是细胞质的几百甚至上千倍，而细胞壁是最大的Ca2+库。,所以，人们把质外体称为胞外Ca2+库，而把液泡和内质网等称为胞内Ca2+库。,Ca2+在植物细胞内外的动态变化：,实验发现，在细胞基质与细胞外或者细胞内钙库（某些细胞器）之间存在着级差很大的Ca2+浓度梯度。,信号刺激可以使膜上的Ca2+通道打开，由于细胞质与胞内、胞外Ca2+库的Ca2+浓度差很大，即使胞外或者胞内Ca2+库少量的Ca2+进入细胞质，也会引起细胞质中Ca2+浓度的大幅度增加，达到一定的阈值后引发生理反应，从而起到传递胞外信号的作用。,当完成信号传递后，Ca2+又通过Ca2+泵和 Ca2+/H+逆向转运器 ，泵出胞外或者

21、泵进胞内Ca2+库，胞质中的Ca2+又回落到静止状态水平，同时Ca2+与受体蛋白分离。,一、 钙信号系统 （续）,几乎所有的胞外刺激信号都可能引起胞内游离Ca2+离子浓度的变化，而这种变化的时间、幅度、频率、区域化分布等却不尽相同，不同刺激信号的特异性正是靠钙浓度变化的不同形式体现的。,图6-8 植物细胞中钙的运输途径 质膜与细胞器膜上的Ca2+泵和Ca2+通道控制细胞内Ca2+的分布和浓度； 胞内外信号可调节这些Ca2+的运输系统，引起Ca2+浓度变化。,Ca2+信号受体：,胞内Ca2+信号通过其受体钙调蛋白传递信息。,植物中的钙调蛋白主要有三种： （1）钙调素（calmodulin，CaM

22、）； （2）钙依赖型蛋白激酶 (calcium-dependent protein kinase, CDPK)； （3）钙调磷酸酶（calcineurin，CaN ）。,是最重要的多功能Ca2+信号受体，由148个氨基酸组成的单链小分子酸性蛋白。CaM分子有四个Ca2+结合位点。当外界信号刺激引起胞内Ca2+浓度上升到一定阈值后，Ca2+与CaM结合，引起CaM构象的改变。而活化的CaM又与靶子酶结合，使其活化而引起生理反应。,钙调素（calmodulin, CaM）:,CDPK是Ca2+信号重要的初级感受体。动物中的CDPK需要Ca2+和CaM共同激活。植物中的CDPK是一个独特的蛋白家族，

23、其活性不需要外源CaM，只需Ca2+即可激活其蛋白激酶活性。(后面讲),钙依赖型蛋白激酶(CDPK):,钙调磷酸酶同样受Ca2+激活，但是它调节的是蛋白质的去磷酸化作用。 钙调磷酸酶与激酶一起影响细胞内蛋白质的磷酸化状态，引起下游反应。,钙调磷酸酶（CaN）,二、肌醇磷脂信号系统,肌醇磷酯是肌醇分子六碳环的羟基被不同数目磷酸酯化形成的一类化合物，其总量约占膜磷脂总量的1/10左右，植物质膜中主要有三种：即磷脂酰肌醇（PI）、磷脂酰肌醇4磷酸（PIP）和磷脂酰肌醇4，5二磷酸（PIP2）。,磷脂的基本结构图,作用于磷脂酰肌醇的磷脂酶包括磷脂酶A1、A2、C和D，其中磷脂酶C（phospholip

24、ase C, PLC）最重要。,图6-9 磷脂酰肌醇（PIP2）的分子结构,以肌醇磷酯代谢为基础的细胞信号系统，在胞外信号被膜受体接受后，以G蛋白为中介，由质膜上的磷酸脂酶C(PLC)水解PIP2而产生肌醇1，4，5三磷酸（IP3）和二酰甘油（diacylglycerol,DG或者DAG）两种信号分子。 因此，该信号系统又称为双信号系统。其中IP3通过调节胞内钙库中Ca2+释放，而DG则通过激活蛋白激酶C（protein kinase C,PKC）来传递信息。,双信号系统,液泡是植物细胞中最重要的Ca2+库。IP3主要作用于胞内Ca2+库，如液泡和内质网等。 IP3可以影响液泡膜上的离子通道，

25、使Ca2+从液泡中释放出来，引起胞质中Ca2+浓度升高，从而启动胞内Ca2+信使系统，调控一系列的生理反应。,图6-10肌醇磷酸代谢循环过程,细胞外刺激信号或者激素等物质被质膜上专一受体接受，经G-蛋白激活磷脂酶C(PLC)，使磷脂酰-4,5-二磷酸（PIP2）水解生成二酰甘油（DAG）和肌醇-1,4,5-三磷酸（IP3）。IP3与细胞内贮钙体膜上专一受体结合，促使Ca2+从液泡中释放出来，Ca2+与CaM结合形成Ca2+-CaM复合体。,仍留在质膜上的DAG使蛋白激酶C（PKC）激活，催化蛋白质磷酸化。Ca2+-CaM和蛋白质（酶）磷酸化导致细胞反应。IP3产生后很快被磷酸二脂酶水解，首先产

26、生肌醇-1,4-二磷酸（IP2），继而是肌醇单磷酸（IP）及磷脂酰肌醇（PI）返回膜中。表示活化。,肌醇磷脂信号系统与Ca2+信使系统的关系：,液泡是植物细胞中最重要的Ca2+库。,IP3 主要作用于液泡，激活液泡膜上的受体，影响膜上的离子通道与Ca2+的重新分布。,IP3使Ca2+从液泡中释放出来，引起胞质中Ca2+浓度升高，从而启动胞内Ca2+信使系统来调控一系列的生理反应。,三、环核苷酸信号系统,在动物细胞中，cAMP依赖型蛋白激酶是胞内信号系统的核心。当胞外刺激作用于动物细胞时，激活质膜上的特异受体，然后通过G蛋白介导，影响膜内侧的腺苷酸环化酶活性，调节胞质的cAMP水平，cAMP作为

27、第二信使调节细胞的生理反应。 该系统中的主要信使是cAMP 和cGMP。 近年来研究发现，在光诱导叶绿体合成花青素的过程中有环腺苷酸系统的参与 。,cAMP的合成与分解,第四节 蛋白质的可逆磷酸化,胞内第二信使下游信号的转导一般都要通过蛋白激酶或者蛋白磷酸酶组成的蛋白质可逆磷酸化系统来完成。,蛋白质的磷酸化是指由蛋白激酶（protein kinase,PK）催化的,把ATP或者GTP的磷酸基团转移到底物蛋白质氨基酸残基上的过程，它是胞内信号转导的最后阶段；其逆向过程是由蛋白磷酸（酯）酶（phosphatase,PP）催化的蛋白质脱（去）磷酸化，它是信号传递的终止信号或逆向调节。,胞内信号通过调

28、节胞内蛋白质的磷酸化或去磷酸化过程进一步传递信息。,被磷酸化的蛋白,酶：调控生理生化反应,转录因子：调控基因表达,蛋白质的磷酸化是对蛋白质进行共价修饰的过程。,胞内信号通过调节胞内蛋白质的磷酸化与脱磷酸化过程进一步实现信号转导，并最终导致生理反应。,转录因子（transcription factor）是一些能与DNA序列结合并调节基因转录的蛋白质，其活性调节的一个主要途径是磷酸化作用。,蛋白质的可逆磷酸化涉及到两类重要酶类,蛋白激酶,蛋白磷酸酶（酯酶）,蛋白激酶的特征 ：,蛋白激酶的种类很多，丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶和酪氨酸蛋白激酶是两个已知最大的蛋白激酶家族。,它们的催化结构域在结构和进化上有

29、很大的相似性，一般有300个左右的氨基酸残基组成，可分为12(或者)个亚区,并且折叠成特有的瓣状结构，亚区中有许多十分保守的氨基酸。如第72位赖氨酸和第184位天冬氨酸。,这两类蛋白激酶还具有高度保守的模块（Motif），如DXXXN和DFG模块。 各类蛋白激酶的特异性则取决于该区域以外的部分。,一、蛋白激酶,植物中的蛋白激酶主要是丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶和酪氨酸蛋白激酶家族成员。与植物逆境信号转导关系最密切的主要有：有丝分裂原激活蛋白激酶（MAPK），钙依赖而钙调素不依赖的蛋白激酶（CDPK），受体蛋白激酶（RPK），核糖体蛋白激酶和转录调控蛋白激酶等。它们分别属于以上不同的类别。 主要介绍前

30、三种,植物中的蛋白激酶,1.有丝分裂原激活蛋白激酶（MAPKs）,MAPKs家族成员存在于所有的真核生物中，在多种信号传递过程中起作用。,它们是一类丝氨酸/苏氨酸（Ser/Thr）蛋白激酶。,该家族成员包括3种类型 ：,1.分裂原活化的蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase, MAPK）；,2.分裂原激活蛋白激酶的激酶（mitogen-activated protein kinase kinase, MAPKK）,3.分裂原激活蛋白激酶的激酶之激酶（mitogen-activated protein kinase kinase kinase, MAPKKK）

31、,在真核细胞中，这3种类型的激酶构成一个MAPK级联系统（mitogen-activated protein kinase cascade）,通过MAPKKK- MAPKK- MAPK逐级磷酸化，将外来信号级联放大并传递下去。,1. 有丝分裂原激活蛋白激酶（MAPKs）,MAPKKK位于级联系统的最上游，能够通过胁迫信号感受器或者信号分子的受体或者其本身就直接感受胞外信号刺激而发生磷酸化。MAPKKK磷酸化后变为活化状态，可以使MAPKK磷酸化。,MAPKK始终存在于细胞质中，MAPKK磷酸化以后通过双重磷酸化作用将MAPK激活，磷酸化的位点是苏氨酸/酪氨酸（Thr/Tyr）残基。,MAPK被

32、磷酸化后有3种可能的去向：,（1）停留在细胞质中，激活一系列其它的蛋白激酶； （2）在细胞质中使细胞骨架成分磷酸化； （3）进入细胞核，通过磷酸化转录因子，调控基因的表达。,2.钙依赖而钙调素不依赖的蛋白激酶（CDPK）,钙信号的进一步传递，经过钙离子的受体蛋白来完成，其中包括钙依赖型蛋白激酶。,动物中的钙依赖蛋白激酶是CaMK和Ca2+/磷脂依赖的蛋白激酶PKC. 植物中这种蛋白激酶也有报道。植物中存在一种独特的钙依赖蛋白激酶CDPK，全称为钙依赖而钙调素不依赖蛋白激酶（calcium-dependent and calmodulin-independent protein kinase）或

33、者类似钙调素结构域的蛋白激酶（calmodulin-like protein kinase）。,分析CDPK的氨基酸序列，它具有三个功能区：从N端起依次为催化区、连接区和调控区。,A. 催化区：由200多个氨基酸残基组成，具有典型的丝氨酸/苏氨酸（Ser/Thr）蛋白激酶催化保守序列。,B 连接区：由20-30个氨基酸组成，在各类功能中最为保守，富含碱性氨基酸，紧靠着催化区而以拟底物的方式与催化区结合起自抑制作用，所以该区又称为自抑制区。,C.调控区: 是CDPK有别于其它激酶类型的特有区域，有一段结构与功能类似于CaM的氨基酸序列，该区内共有4个与Ca2+结合的EF手型结构，这是CDPK对C

34、a2+高度亲和而不依赖于CaM的原因。调控区的氨基酸序列保守性最差，差异主要在于CDPK钙结合区的结构上。,CDPK的结构,Ca2+与CDPK结合后，CDPK被活化，活化机制有两种：,一是结合后诱导了调控区与连接区的结合，从而解除了连接区与催化部位的结合，也就解除了自抑制作用，这是一种与Ca2+/CaM依赖的蛋白激酶相似的结合方式；,另一种作用机制是使CDPK的CaM类似区发生了构象变化，这一变化直接将连接区“挤出”或者“拖出”了自抑制位点，从而解除了自抑制作用。 植物可能同时利用上述两种机制介导着不同的钙信号。,CDPK的活化机制：,3. 受体蛋白激酶（RPK）(酶联受体),受体蛋白激酶（R

35、PK）位于细胞膜上，能够感受外界刺激，并参与细胞信号转导过程。它由胞外配体结合区（extracellular ligand-binding domain）、跨膜区（transmembrane domain）和胞质激酶区（cytosolic kinase domain）三个结构域组成。,胞外配体结合区的功能是识别配体（信号分子），感受外界信号，跨膜区将胞外配体识别的信号传递给胞质激酶区，而胞质激酶区通过磷酸化作用将信号传递给下一级的信号传递体。,二、蛋白磷酸酶,蛋白磷酸酶则通过对靶蛋白分子的去磷酸化作用实现对靶蛋白的调节。它与蛋白激酶具有同样重要的意义,与植物中的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶和酪氨酸蛋

36、白激酶相对应，也有两种蛋白磷酸酶： （1）磷脂酰蛋白磷酸酶（phosphoprotein (serine/threonine) phosphatase，PPase） （2）蛋白酪氨酸磷酸酶（protein tyrosine phosphatase，PTPase）。 它们分别从磷酸丝氨酸/苏氨酸和磷酸酪氨酸上去掉磷酸基团。,它们作为胞内信号直接或者间接的靶酶，通过控制信号转导途径中其它酶类或者蛋白质的活性，使细胞对外界信号做出相应的响应。,蛋白质可逆磷酸化共价调节方式的特点：（1）反应快速；（2）专一性强；（3）信号持久；（4）信号放大。,蛋白激酶和蛋白磷酸酶在细胞信号转导中具有重要意义：,第五

37、节 脱落酸介导气孔开闭的信号转导,ABA是一种胁迫激素，参与植物干旱应答反应的许多生理过程。 植物对干旱胁迫应答的起始点是细胞对干旱胁迫信号的感知。 细胞感知胞外干旱信号后，通过某种机制转换为胞内信号，通过胞内信号转导系统，调节细胞的生理生化反应。 这一过程包括ABA的合成、受体对ABA信号的感知以及其后的胞内应答反应。 其中研究较清楚的是ABA诱导的调节气孔开闭和基因表达信号途径。,概述：,一、 细胞对干旱胁迫信号的感知,干旱胁迫使细胞壁的机械特性发生改变，引起细胞质膜松弛及细胞体积缩小，同时降低了木质素合成相关酶的活性。 细胞对干旱胁迫信号的感知与其它的信号感知机制不同，它不是通过配体与受

38、体结合的方式，而是通过膨压的变化、细胞体积的改变、细胞壁与细胞膜相互作用等方式。 细胞壁-质膜-细胞骨架连续体可能是细胞感知干旱胁迫的原初部位。 根系细胞感受干旱胁迫信号后，诱导合成ABA。 ABA随着蒸腾流快速运输到叶片，诱导气孔关闭。,二、脱落酸对气孔运动调节的信号转导,在发生水分胁迫的情况下，胞内ABA或者保卫细胞表皮质外体的ABA浓度上升。 此变化引起保卫细胞膨压的下降，导致气孔关闭，从而限制蒸腾作用引起的水分丧失。,ABA生物合成的突变体和表达抗ABA抗体的转基因植株都表现出蒸腾作用增强，进一步证明内源ABA在气孔开闭中所起的作用。,（1）以受体为中心的ABA信号的识别； （2）以第

39、二信使为中心的胞内信号转导； （3）蛋白质可逆磷酸化为中心的信号放大与转导等过程。,ABA的信号转导途径包括：,ABA与受体结合（这里仅显示胞外受体)；ABA结合受体后诱导活性氧（ROS）产生，进而激活质膜上的Ca2+通道，ROS是由PLD（磷脂酶D）介导的磷脂酸产生的；钙的内流引起了胞内钙的瞬时变化，进一步促进了钙从液泡中释放；ABA刺激NO产生，NO增加了cADPR（环ADP核糖）的水平；ABA通过包含SIP（鞘氨醇-1-磷酸）、异源三聚体以及PLC（磷脂酶C）和PLD的信号途径增加了IP3的水平；,图6-11 气孔保卫细胞中ABA信号转导途径模式图,利用拟南芥等植物，目前已经初步勾画出气孔保卫细胞中ABA信号的轮廓（图6-11）。,图6-11 气孔保卫细胞中ABA信号转导途径模式图,cADPR和IP3的升高激活了液泡膜上的其他钙通道，更多的Ca2+从液泡释放出来；胞内钙的升高阻断了质膜上的Kin+通道；胞内钙的升高促进了质膜上Clout通道的打开，引起质膜去极化；质膜上的质子泵受到ABA诱导的胞内钙增加和胞内pH升高的抑制，质膜进一步去极化；膜的去极化活化了质膜上的Kou